一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統

《一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統》是廣東易事特電源股份有限公司於2012年4月20日申請的專利，該專利的公布號為CN102624070A，授權公布日為2012年8月1日，發明人是徐海波、張勝發、汪家榮、唐朝陽。該發明屬於電源技術領域。

《一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統》包括電源三相交流輸入端、電源三相交流輸出端、九相自耦移相變壓器、用於控制三相逆變器輸出的同步控制裝置、工頻隔離變壓器和三路輸出裝置，所述九相自耦移相變壓器的三相交流輸入端與電源三相交流輸入端連線，每路輸出裝置包括依次連線的零序抑制換向電感、三相六脈波整流器、三相逆變器和濾波電感，每路的零序抑制換向電感與相自耦移相變壓器的三相交流輸出端連線，每路的濾波電感與工頻隔離變壓器的輸入端連線；該發明結構體積小、成本低且使用效果好。

2021年11月，《一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統》獲得第八屆廣東專利獎優秀獎。

（概述圖為《一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統
• 申請人：廣東易事特電源股份有限公司
• 申請日：2012年4月20日
• 申請號：2012101177368
• 公布號：CN102624070A
• 公布日：2012年8月1日
• 發明人：徐海波、張勝發、汪家榮、唐朝陽
• 地址：廣東省東莞市松山湖科技產業園區工業北路6號廣東易事特電源股份有限公司
• 分類號：H02J7/02(2006.01)I、H02J3/01(2006.01)I、H01F30/12(2006.01)I、H01F27/28(2006.01)I
• 代理機構：東莞市華南專利商標事務所有限公司
• 代理人：鄧猛烈
• 類別：發明專利

專利背景

全球工業化信息化經濟建設對中大功率工頻UPS電源的需求非常巨大。在中大功率領域，工頻UPS電源具有對供電環境適應能力強、可靠性高、抗衝擊負載能力強等優點，在各行業領域得到廣泛套用。特別是工頻UPS所特有的獨立穩定的零地電位是大功率UPS供電設備的安全用電保障。但常規工頻UPS電源的網側電流諧波大，對電網產生非常嚴重的污染，2012年前大功率工頻UPS電源需要配置電網補償等相關裝置才能滿足電網使用要求。

為解決傳統大功率工頻UPS電源的輸入側整流導致的電力諧波污染問題，大功率系統輸入一般採用基於“△/Y型和△/△型結構”的全隔離型移相變壓器，和外加平衡電抗器的多脈波整流結構。例如，用移相30的兩個傳統6脈波相控整流的並聯來實現12脈波整流技術，抑制由三相六脈波整流產生的5、7次諧波。該種方式存在隔離移相變壓器體積大、笨重和成本高的問題，而且不便於功率更大的AC-DC整流部分功率單元的擴展。用18脈波整流技術可以更進一步減小網側電流諧波，但其9相移相電源通常是用隔離變壓器來實現的，存在體積大，笨重，經濟效益低的缺點。

發明內容

專利目的

《一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統》解決了2012年4月之前技術的不足，提供了基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統。該UPS電源系統有效降低了AC-DC整流部分的網側輸入電流諧波，有效抑制了5、7、11、13次諧波，並有效減小了17、19次諧波含量，且體積小，成本低。

技術方案

《一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統》包括電源三相交流輸入端、電源三相交流輸出端、九相自耦移相變壓器、用於控制三相逆變器輸出的同步控制裝置、工頻隔離變壓器和三路輸出裝置；所述九相自耦移相變壓器為對稱型九相自耦移相變壓器，九相自耦移相變壓器的三相交流輸入端與電源三相交流輸入端連線；九相自耦移相變壓器設有三組三相交流輸出端，分別為超前組輸出端A1、B1和C1，和原始組輸出端A0、B0和C0，以及滯後組輸出端A2、B2和C2；所述工頻隔離變壓器設有三組三相交流輸入端，分別為超前組輸入端U1、V1和W1，原始組U0、V0和W0，以及滯後組U2、V2和W2；所述工頻隔離變壓器的輸出端U、V和W與電源三相交流輸出端連線；所述三路輸出裝置為超前組輸出裝置、原始組輸出裝置和滯後組輸出裝置；所述超前組輸出裝置包括依次連線的超前組零序抑制換向電感、超前組三相六脈波整流器、超前組三相逆變器和超前組濾波電感；超前組零序抑制換向電感的三相輸入端與上述超前組輸出端A1、B1和C1連線，超前組濾波電感的三相交流輸出端與上述超前組輸入端U1、V1和W1連線；所述原始組輸出裝置包括依次連線的原始組零序抑制換向電感、原始組三相六脈波整流器、原始組三相逆變器和原始組濾波電感，原始組零序抑制換向電感的三相輸入端與上述原始組輸出端A0、B0和C0連線，原始組濾波電感的三相交流輸出端與上述原始組輸入端U0、V0和W0連線；所述滯後組輸出裝置包括依次連線的滯後組零序抑制換向電感、滯後組三相六脈波整流器、滯後組三相逆變器和滯後組濾波電感，滯後組零序抑制換向電感的三相輸入端與上述滯後組輸出端A2、B2和C2連線，滯後組濾波電感的三相交流輸出端與上述滯後組輸入端U2、V2和W2連線；所述同步控制裝置設有四組採樣輸入端，分別與電源三相交流輸入端、和超前組三相逆變器的輸出端、原始組三相逆變器的輸出端以及滯後組三相逆變器的輸出端連線；所述同步控制裝置設有三組控制輸出端，三組控制輸出端分別與超前組三相逆變器的控制端、原始組三相逆變器的控制端以及滯後組三相逆變器的控制端連線。

進一步地，所述工頻隔離變壓器為工頻四連線埠耦合隔離Y/Y連線三相變壓器，該工頻隔離變壓器設有U相、V相和W相磁性柱；且該工頻隔離變壓器每相磁芯柱上設有三個獨立的完全相同的輸入繞組和一個輸出繞組，構成初、次級繞組關係為“Y/Y”結構的四連線埠耦合隔離輸出方式；U相磁芯柱上的輸入繞組分別與超前組三相逆變器輸出的U1相、原始組三相逆變器輸出的U0相和滯後組三相逆變器輸出的U2相連線，U相磁芯柱上的輸出繞組為U相輸出；V相磁芯柱上的輸入繞組分別與超前組三相逆變器輸出的V1相、原始組三相逆變器輸出的V0相和滯後組三相逆變器輸出的V2相連線，V相磁芯柱上的輸出繞組為V相輸出；W相磁芯柱上的輸入繞組分別與超前組三相逆變器輸出的W1相、原始組三相逆變器輸出的W0相和滯後組三相逆變器輸出的W2相連線，W相磁芯柱上的輸出繞組輸出繞組為W相輸出。

進一步地，所述基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統，還包括儲能裝置，還包括儲能裝置；所述儲能裝置包括充電器、蓄電池組和控制電流定向移動的耦合單元；充電器的三相交流輸入端與電源三相交流輸入端連線，充電器的直流輸出端與蓄電池組連線；所述耦合單元包括六個二極體，其中三個二極體的陽極均與蓄電池組的正極連線，且該三個二極體的陰極分別與超前組三相逆變器的直流輸入端的正極、原始組三相逆變器的直流輸入端的正極以及滯後組三相逆變器的直流輸入端的正極連線；另三個二極體的陰極均與蓄電池組的負極連線，且該三個二極體的陽極分別與超前組三相逆變器的直流輸入端的陰極、原始組三相逆變器的直流輸入端的陰極以及滯後組三相逆變器的直流輸入端的陰極連線；超前組三相逆變器的直流輸入端的電壓、原始組三相逆變器的直流輸入端的電壓以及滯後組三相逆變器的直流輸入端的電壓均大於蓄電池組的電壓。

進一步地，所述儲能裝置還包括接觸器JK1、JK2、JK3；分別與超前組三相逆變器的直流輸入端的正極和負極連線的兩個二極體D1、D2為超前組二極體；分別與原始組三相逆變器的直流輸入端的正極和負極連線的兩個二極體D3、D4為原始組二極體；分別與滯後組三相逆變器的直流輸入端的正極和負極連線的兩個二極體D5、D6為滯後組二極體；超前組二極體的兩個二極體D1、D2分別並聯接觸器JK1的主觸頭，原始組二極體的兩個二極體D3、D4分別並聯接觸器JK2的主觸頭，滯後組二極體的兩個二極體D5、D6分別並聯接觸器JK3的主觸頭。

進一步地，所述基於九相自耦移相變壓器的UPS電源系統，還包括旁路電路，旁路電路包括旁路靜態開關裝置，旁路靜態開關裝置的輸出端與電源三相交流輸出端連線。

進一步地，所述超前組三相六脈波整流器、原始組三相六脈波整流器和滯後組三相六脈波整流器的電路均為可控三相整流電路。所述可控三相整流電路包括三個電感組成的電感組、六個單向可控矽元件以及一個電容。六個單向可控矽元件中的單向可控矽元件兩兩同向串聯形成三條支路，每條支路的兩端均分別與電容的正極和負極連線並形成迴路，三個電感的一端分別連線於三條支路的中間電勢端，三個電感的另一端分別連線於可控三相整流電路的輸入端。

進一步地，所述超前組三相逆變器的電路、原始組三相逆變器的電路和滯後組三相逆變器的電路均為三相全橋逆變電路；所述三相全橋逆變電路由三個單相全橋電路組成單相全橋電路包括上橋臂和下橋臂，且上橋臂和下橋臂分別由兩個絕緣柵雙極型電晶體組成，其中上橋臂的兩個絕緣柵雙極型電晶體的集電極均與三相全橋逆變電路的直流輸入端的正極連線，且該兩個絕緣柵雙極型電晶體的發射極分別與下橋臂兩個絕緣柵雙極型電晶體的集電極連線，下橋臂的兩個絕緣柵雙極型電晶體的發射極分別與三相全橋逆變電路的直流輸入端的負極連線；每個單相全橋電路的輸出端的兩個輸出連線埠分別與該單相全橋電路的上橋臂和下橋臂的兩個連線點連線。

進一步地，所述超前組濾波電感的電路、原始組濾波電感的電路和滯後組濾波電感的電路均為與單相全橋電路的輸出端連線的LC低通濾波電路；LC低通濾波電路由三路濾波電路組成，每路的濾波電路主要由一個電感和一個電容組成，且每路濾波電路設有兩個輸入端和兩個輸出端；每路濾波電路的兩個輸入端分別與單相全橋結構的橋臂中點連線，為一個輸入連線埠；每路濾波電路的兩個輸出端為一個輸出連線埠，通過保險後分別與工頻隔離變壓器的三相交流輸入連線埠對應連線。

進一步地，工頻隔離變壓器與電源三相交流輸出端之間設有主路靜態開關裝置，主路靜態開關裝置主要由三個雙向可控矽元件組成；三個雙向可控矽元件的一端與工頻隔離變壓器的三相交流輸出端連線，三個雙向可控矽元件的另一端分別與電源三相交流輸出端連線。

進一步地，所述旁路靜態開關裝置主要由三個雙向可控矽元件組成；三個雙向可控矽元件的一端與旁路電路輸入端連線，三個雙向可控矽元件的另一端分別與電源三相交流輸出端連線。

有益效果

《一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統》包括電源三相交流輸入端、電源三相交流輸出端、九相自耦移相變壓器、用於控制三相逆變器輸出的同步控制裝置、工頻隔離變壓器和三路輸出裝置，所述九相自耦移相變壓器的三相交流輸入端與電源三相交流輸入端連線，九相自耦移相變壓器設有三組三相交流輸出端分別為超前組輸出端A1、B1、C1和原始組輸出端A0、B0、C0以及滯後組輸出端A2、B2、C2，所述工頻隔離變壓器設有三組三相交流輸入端分別為超前組輸入端U1、V1、W1、原始組U0、V0、W0以及滯後組U2、V2、W2；所述工頻隔離變壓器的輸出端U、V、W與電源三相交流輸出端連線；所述三路輸出裝置為超前組輸出裝置、原始組輸出裝置和滯後組輸出裝置；所述超前組輸出裝置包括依次連線的超前組零序抑制換向電感、超前組三相六脈波整流器、超前組三相逆變器和超前組濾波電感，超前組零序抑制換向電感的三相輸入端與上述超前組輸出端A1、B1、C1連線，超前組濾波電感的三相交流輸出端與上述超前組輸入端U1、V1、W1連線；所述原始組輸出裝置包括依次連線的原始組零序抑制換向電感、原始組三相六脈波整流器、原始組三相逆變器和原始組濾波電感，原始組零序抑制換向電感的三相輸入端與上述原始組輸出端A0、B0、C0連線，原始組濾波電感的三相交流輸出端與上述原始組輸入端U0、V0、W0連線；所述滯後組輸出裝置包括依次連線的滯後組零序抑制換向電感、滯後組三相六脈波整流器、滯後組三相逆變器和滯後組濾波電感，滯後組零序抑制換向電感的三相輸入端與上述滯後組輸出端A2、B2、C2連線，滯後組濾波電感的三相交流輸出端與上述滯後組輸入端U2、V2、W2連線；所述同步控制裝置設有四組採樣輸入端，分別與電源三相交流輸入端、和三路逆變的輸出端連線；所述同步控制裝置設有三組控制輸出端，三組控制輸出端分別與超前組三相逆變器的控制端、原始組三相逆變器的控制端以及滯後組三相逆變器的控制端連線。

該發明具有如下特點：

1）獨特的對稱結構九相自耦移相變壓器，其本體的額定功率不超過系統總輸出功率的17%。

（2）並列結構的系統拓撲保證三組相位互差20的交流電源獨立工作，向負載提供相同的功率，精確實現了整個電源系統的“18脈波整流”，有效降低了電網電流諧波。

（3）並列結構的DC/AC逆變單元既保證了三個並列通道的平衡，又構成了系統的冗餘設計，整個系統可靠性高。

（4）獨特設計的工頻“四連線埠耦合隔離Y/Y連線三相變壓器”，實現了三個獨立並列通道交流輸出的隔離耦合，並且使得變壓器三相輸出獨立，適合不平衡負載運用場合。

（5）該工頻電源系統無平衡電抗器，系統設計規範對稱，冗餘度高，其拓撲結構非常適合寬功率範圍和500KVA級以上的UPS電源系統。

附圖說明

圖1為《一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統》的結構框圖；

圖2該發明的九相自耦移相變壓器的繞組結構示意圖；

圖3該發明的工頻隔離變壓器的繞組結構示意圖；

圖4該發明的三相逆變電路示意圖；

圖5該發明的原理圖。

附圖示記說明：1—九相自耦移相變壓器、2—超前組零序抑制換向電感、3—原始組零序抑制換向電感、4—滯後組零序抑制換向電感、5—超前組三相六脈波整流器、6—原始組三相六脈波整流器、7—滯後組三相六脈波整流器、8—超前組三相逆變器、9—原始組三相逆變器、10—滯後組三相逆變器、11—超前組濾波電感、12—原始組濾波電感、13—滯後組濾波電感、14—同步控制裝置、15—工頻隔離變壓器、16—耦合單元、17—充電器、18—電源三相交流輸出端、19—旁路電路輸入端、20—蓄電池組。

權利要求

1.《一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統》其特徵在於：其包括電源三相交流輸入端、電源三相交流輸出端、九相自耦移相變壓器、用於控制三相逆變器輸出的同步控制裝置、工頻隔離變壓器和三路輸出裝置；所述九相自耦移相變壓器為對稱型九相自耦移相變壓器，九相自耦移相變壓器的三相交流輸入端與電源三相交流輸入端連線；九相自耦移相變壓器設有三組三相交流輸出端，分別為超前組輸出端A1、B1和C1，和原始組輸出端A0、B0和C0，以及滯後組輸出端A2、B2和C2；所述工頻隔離變壓器設有三組三相交流輸入端，分別為超前組輸入端U1、V1和W1，原始組U0、V0和W0，以及滯後組U2、V2和W2；所述工頻隔離變壓器的輸出端U、V和W與電源三相交流輸出端連線；所述三路輸出裝置為超前組輸出裝置、原始組輸出裝置和滯後組輸出裝置；所述超前組輸出裝置包括依次連線的超前組零序抑制換向電感、超前組三相六脈波整流器、超前組三相逆變器和超前組濾波電感；超前組零序抑制換向電感的三相輸入端與上述超前組輸出端A1、B1和C1連線，超前組濾波電感的三相交流輸出端與上述超前組輸入端U1、V1和W1連線；所述原始組輸出裝置包括依次連線的原始組零序抑制換向電感、原始組三相六脈波整流器、原始組三相逆變器和原始組濾波電感，原始組零序抑制換向電感的三相輸入端與上述原始組輸出端A0、B0和C0連線，原始組濾波電感的三相交流輸出端與上述原始組輸入端U0、V0和W0連線；所述滯後組輸出裝置包括依次連線的滯後組零序抑制換向電感、滯後組三相六脈波整流器、滯後組三相逆變器和滯後組濾波電感，滯後組零序抑制換向電感的三相輸入端與上述滯後組輸出端A2、B2和C2連線，滯後組濾波電感的三相交流輸出端與上述滯後組輸入端U2、V2和W2連線；所述同步控制裝置設有四組採樣輸入端，分別與電源三相交流輸入端、和超前組三相逆變器的輸出端、原始組三相逆變器的輸出端以及滯後組三相逆變器的輸出端連線；所述同步控制裝置設有三組控制輸出端，三組控制輸出端分別與超前組三相逆變器的控制端、原始組三相逆變器的控制端以及滯後組三相逆變器的控制端連線。

2.根據權利要求1所述的一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統，其特徵在於：所述工頻隔離變壓器為工頻四連線埠耦合隔離Y/Y連線三相變壓器，該工頻隔離變壓器設有U相、V相和W相磁性柱；且該工頻隔離變壓器每相磁芯柱上設有三個獨立的完全相同的輸入繞組和一個輸出繞組，構成初、次級繞組關係為“Y/Y”結構的四連線埠耦合隔離輸出方式；U相磁芯柱上的輸入繞組分別與超前組三相逆變器輸出的U1相、原始組三相逆變器輸出的U0相和滯後組三相逆變器輸出的U2相連線，U相磁芯柱上的輸出繞組為U相輸出；V相磁芯柱上的輸入繞組分別與超前組三相逆變器輸出的V1相、原始組三相逆變器輸出的V0相和滯後組三相逆變器輸出的V2相連線，V相磁芯柱上的輸出繞組為V相輸出；W相磁芯柱上的輸入繞組分別與超前組三相逆變器輸出的W1相、原始組三相逆變器輸出的W0相和滯後組三相逆變器輸出的W2相連線，W相磁芯柱上的輸出繞組輸出繞組為W相輸出。

3.根據權利要求2所述的一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統，其特徵在於：還包括儲能裝置；所述儲能裝置包括充電器、蓄電池組和控制電流定向移動的耦合單元；充電器的三相交流輸入端與電源三相交流輸入端連線，充電器的直流輸出端與蓄電池組連線；所述耦合單元包括六個二極體，其中三個二極體的陽極均與蓄電池組的正極連線，且該三個二極體的陰極分別與超前組三相逆變器的直流輸入端的正極、原始組三相逆變器的直流輸入端的正極以及滯後組三相逆變器的直流輸入端的正極連線；另三個二極體的陰極均與蓄電池組的負極連線，且該三個二極體的陽極分別與超前組三相逆變器的直流輸入端的陰極、原始組三相逆變器的直流輸入端的陰極以及滯後組三相逆變器的直流輸入端的陰極連線；超前組三相逆變器的直流輸入端的電壓、原始組三相逆變器的直流輸入端的電壓以及滯後組三相逆變器的直流輸入端的電壓均大於蓄電池組的電壓。

4.根據權利要求3所述的一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統，其特徵在於：所述儲能裝置還包括接觸器JK1、JK2、JK3；分別與超前組三相逆變器的直流輸入端的正極和負極連線的兩個二極體D1、D2為超前組二極體；分別與原始組三相逆變器的直流輸入端的正極和負極連線的兩個二極體D3、D4為原始組二極體；分別與滯後組三相逆變器的直流輸入端的正極和負極連線的兩個二極體D5、D6為滯後組二極體；超前組二極體的兩個二極體D1、D2分別並聯接觸器JK1的主觸頭，原始組二極體的兩個二極體D3、D4分別並聯接觸器JK2的主觸頭，滯後組二極體的兩個二極體D5、D6分別並聯接觸器JK3的主觸頭。

5.根據權利要求4所述的一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統，其特徵在於：還包括旁路電路，旁路電路包括旁路靜態開關裝置，旁路靜態開關裝置的輸出端與電源三相交流輸出端連線。

6.根據權利要求5所述的一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統，其特徵在於：所述超前組三相六脈波整流器、原始組三相六脈波整流器和滯後組三相六脈波整流器的電路均為可控三相整流電路；所述可控三相整流電路包括三個電感組成的電感組、六個單向可控矽元件以及一個電容；六個單向可控矽元件中的單向可控矽元件兩兩同向串聯形成三條支路，每條支路的兩端均分別與電容的正極和負極連線並形成迴路，三個電感的一端分別連線於三條支路的中間電勢端，三個電感的另一端分別連線於可控三相整流電路的輸入端。

7.根據權利要求6所述的一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統，其特徵在於：所述超前組三相逆變器的電路、原始組三相逆變器的電路和滯後組三相逆變器的電路均為三相全橋逆變電路；所述三相全橋逆變電路由三個單相全橋電路組成單相全橋電路包括上橋臂和下橋臂，且上橋臂和下橋臂分別由兩個絕緣柵雙極型電晶體組成，其中上橋臂的兩個絕緣柵雙極型電晶體的集電極均與三相全橋逆變電路的直流輸入端的正極連線，且該兩個絕緣柵雙極型電晶體的發射極分別與下橋臂兩個絕緣柵雙極型電晶體的集電極連線，下橋臂的兩個絕緣柵雙極型電晶體的發射極分別與三相全橋逆變電路的直流輸入端的負極連線；每個單相全橋電路的輸出端的兩個輸出連線埠分別與該單相全橋電路的上橋臂和下橋臂的兩個連線點連線。

8.根據權利要求7所述的一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統，其特徵在於：所述超前組濾波電感的電路、原始組濾波電感的電路和滯後組濾波電感的電路均為與單相全橋電路的輸出端連線的LC低通濾波電路；LC低通濾波電路由三路濾波電路組成，每路的濾波電路主要由一個電感和一個電容組成，且每路濾波電路設有兩個輸入端和兩個輸出端；每路濾波電路的兩個輸入端分別與單相全橋結構的橋臂中點連線，為一個輸入連線埠；每路濾波電路的兩個輸出端為一個輸出連線埠，通過保險後分別與工頻隔離變壓器的三相交流輸入連線埠對應連線。

9.根據權利要求8所述的一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統，其特徵在於：工頻隔離變壓器與電源三相交流輸出端之間設有主路靜態開關裝置，主路靜態開關裝置主要由三個雙向可控矽元件組成；三個雙向可控矽元件的一端與工頻隔離變壓器的三相交流輸出端連線，三個雙向可控矽元件的另一端分別與電源三相交流輸出端連線。

10.根據權利要求9所述的一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統，其特徵在於：所述旁路靜態開關裝置主要由三個雙向可控矽元件組成；三個雙向可控矽元件的一端與旁路電路輸入端連線，三個雙向可控矽元件的另一端分別與電源三相交流輸出端連線。

實施例：如圖1至圖4所示，《一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統》包括電源三相交流輸入端、電源三相交流輸出端18、九相自耦移相變壓器1、用於控制三相逆變器輸出的同步控制裝置14、工頻隔離變壓器15和三路輸出裝置。所述九相自耦移相變壓器1為對稱型九相自耦移相變壓器1，九相自耦移相變壓器1的三相交流輸入端與電源三相交流輸入端連線。九相自耦移相變壓器1設有三組三相交流輸出端分別為超前組輸出端A1、B1和C1、原始組輸出端A0、B0和C0以及滯後組輸出端A2、B2和C2。所述工頻隔離變壓器15設有三組三相交流輸入端，分別為超前組輸入端U1、V1和W1、原始組U0、V0和W0以及滯後組U2、V2和W2。所述工頻隔離變壓器15的輸出端U、V和W與電源三相交流輸出端18連線；所述三路輸出裝置為超前組輸出裝置、原始組輸出裝置和滯後組輸出裝置。所述超前組輸出裝置包括依次連線的超前組零序抑制換向電感2、超前組三相六脈波整流器5、超前組三相逆變器8和超前組濾波電感11；超前組零序抑制換向電感2的三相輸入端與上述超前組輸出端A1、B1和C1連線；超前組濾波電感11的三相交流輸出端與上述超前組輸入端U1、V1和W1連線。所述原始組輸出裝置包括依次連線的原始組零序抑制換向電感3、原始組三相六脈波整流器6、原始組三相逆變器9和原始組濾波電感12；原始組零序抑制換向電感3的三相輸入端與上述原始組輸出端A0、B0和C0連線；原始組濾波電感12的三相交流輸出端與上述原始組輸入端U0、V0和W0連線。所述滯後組輸出裝置包括依次連線的滯後組零序抑制換向電感4、滯後組三相六脈波整流器7、滯後組三相逆變器10和滯後組濾波電感13；滯後組零序抑制換向電感4的三相輸入端與上述滯後組輸出端A2、B2和C2連線；滯後組濾波電感13的三相交流輸出端與上述滯後組輸入端U2、V2和W2連線。所述同步控制裝置設有四組採樣輸入端，分別與電源三相交流輸入端、和超前組三相逆變器的輸出端、原始組三相逆變器的輸出端以及滯後組三相逆變器的輸出端連線；所述同步控制裝置設有三組控制輸出端，三組控制輸出端分別與超前組三相逆變器的控制端、原始組三相逆變器的控制端以及滯後組三相逆變器的控制端連線。

九相自耦移相變壓器1將輸入對稱三相交流電源（A，B，C）移相為三組相位對應互差20的對稱三相交流電源：原始組（A0，B0，C0）、超前組（A1，B1，C1）和滯後組（A2，B2，C2）。原始組（A0，B0，C0）相位與輸入三相交流電源（A，B，C）相同，超前組（A1，B1，C1）超前原始組（A0，B0，C0）相位20，滯後組（A2，B2，C2）滯後原始組（A0，B0，C0）相位20。

如圖1所示，原始組（A0，B0，C0）、超前組（A1，B1，C1）和滯後組（A2，B2，C2）信號分別經過各自連線的零序抑制換向電感、三相六脈波整流器分別實現六脈波整流，最後輸入到各自連線的三相逆變器和濾波電感後，經過工頻隔離變壓器15，在輸出時進行交流隔離並聯和功率合成。零序抑制換向電感的作用是抑制各組的零序電流，且有利於三相六脈波整流器內電流換向。

如圖2所示為該發明採用的18脈波±20自耦移相變壓器，即九相自耦移相變壓器1的繞組結構和連線示意圖。圖2中原始組（A0，B0，C0）為變壓器本體輸入，接市電380V三相交流電源。圖2中（A1，B1，C1）和（A2，B2，C2）分別為兩組三相交流輸出。（A1，B1，C1）各相對應超前原始組（A0，B0，C0）相位20，（A2，B2，C2）各相對應滯後原始組（A0，B0，C0）相位20。正常工作時，將變壓器本體的原始組（A0，B0，C0）接電網電壓（A，B，C）三相，這樣在實現18脈波整流效果時，該九相自耦移相變壓器1本體的功率容量不超過系統總輸出功率的20%，該九相自耦移相變壓器1本體的結構和重量都極大的小於常規隔離型工頻移相變壓器。

進一步地，所述工頻隔離變壓器15為工頻四連線埠耦合隔離Y/Y連線三相變壓器，該工頻隔離變壓器15設有三組交流輸入連線埠和一組交流輸出連線埠，工頻隔離變壓器15的每相磁芯柱上設有三段獨立的繞組，且該三段獨立的繞組形成一組三相交流輸入連線埠，每段獨立繞組的兩個端部為一個三相交流輸入連線埠的兩個輸入端，工頻隔離變壓器15的初、次級的繞組關係為“Y/Y”結構。

如圖3所示為該發明採用的四連線埠耦合隔離Y/Y連線三相變壓器結構和繞組示意圖。圖3中[U1，U0，U2]分別是三個通道DC/AC逆變部分的三相正弦輸出中的初相角為0的基準相輸出，它們被控制為相同的波形，且與三相電網電源輸入對應同相。按圖3中繞組配置，輸入與輸出是Y/Y型結構，輸出電壓U分別與三個輸入電壓的變比為w2/w1，輸出電流是三相[U1，U0，U2]輸入電流的並聯疊加，既功率疊加。同理，該設計方法也運用於輸出V相與輸入三相[V1，V0，V2]的關係、輸出W相與輸入三相[W1，W0，W2]的關係。

進一步地，所述基於九相自耦移相變壓器1的UPS電源系統，還包括儲能裝置，所述儲能裝置包括充電器17、蓄電池組20和控制電流定向移動的耦合單元16。充電器17的三相交流輸入端與電源三相交流輸入端連線，充電器17的直流輸出端與蓄電池組20連線。所述耦合單元16包括六個二極體，其中三個二極體的陽極均與蓄電池組20的正極連線，且該三個二極體的陰極分別與超前組三相逆變器8的直流輸入端的正極、原始組三相逆變器9的直流輸入端的正極以及滯後組三相逆變器10的直流輸入端的正極連線。另三個二極體的陰極均與蓄電池組20的負極連線，且該三個二極體的陽極分別與超前組三相逆變器8的直流輸入端的負極、原始組三相逆變器9的直流輸入端的負極以及滯後組三相逆變器10的直流輸入端的負極連線。超前組三相逆變器8的直流輸入端的電壓、原始組三相逆變器9的直流輸入端的電壓以及滯後組三相逆變器10的直流輸入端的電壓均大於蓄電池組20的電壓。

實際操作中，正常情況下蓄電池組20電壓略低於各路的三相六脈波整流器輸出的直流電壓，對三相六脈波整流器的兩直流輸出端不產生影響。當電網斷電時，蓄電池組20通過二極體單向通路給三路三相逆變器供電。

進一步地，所述儲能裝置還包括接觸器JK1、JK2、JK3。分別與超前組三相逆變器8的直流輸入端的正極和負極連線的兩個二極體D1、D2為超前組二極體，分別與原始組三相逆變器9的直流輸入端的正極和負極連線的兩個二極體D3、D4為原始組二極體；分別與滯後組三相逆變器10的直流輸入端的正極和負極連線的兩個二極體D5、D6為滯後組二極體。超前組二極體的兩個二極體D1、D2分別並聯接觸器JK1的主觸頭，原始組二極體的兩個二極體D3、D4分別並聯接觸器JK2的主觸頭，滯後組二極體的兩個二極體D5、D6分別並聯接觸器JK3的主觸頭。

設計接觸器JK1、JK2、JK3，可以減少耦合單元16的能耗；如當系統正常工作時，接觸器JK1、JK2、JK3處於斷開狀態，當電網斷電時，接觸器JK1、JK2、JK3處於閉合狀態，蓄電池組20直接對各路的三相逆變器進行供電，耦合單元16處於短路狀態；減少耦合單元16的二極體的能耗。

進一步地，所述基於九相自耦移相變壓器1的UPS電源系統，還包括旁路電路，旁路電路包括旁路靜態開關裝置，旁路靜態開關裝置的輸出端與電源三相交流輸出端18連線。設計旁路電路，增加系統的穩定性，當各路的三相逆變器出現故障時，旁路靜態開關裝置閉合，直接通過旁路電路進行供電；旁路電路輸入端19可以直接與市電連線，也可以連線於其他供電設備。

進一步地，所述超前組三相六脈波整流器5、原始組三相六脈波整流器6和滯後組三相六脈波整流器7的電路均為可控三相整流電路。所述可控三相整流電路包括三個電感組成的電感組、六個單向可控矽元件以及一個電容。六個單向可控矽元件中的單向可控矽元件兩兩同向串聯形成三條支路，每條支路的兩端均分別與電容的正極和負極連線並形成迴路，三個電感的一端分別連線於三條支路的中間電勢端，三個電感的另一端分別連線於可控三相整流電路的輸入端；此處的可控三相整流電路的輸入端相當於超前組三相六脈波整流器5或原始組三相六脈波整流器6或滯後組三相六脈波整流器7的輸入端。

進一步地，所述超前組三相逆變器8的電路、原始組三相逆變器9的電路和滯後組三相逆變器10的電路均為三相全橋逆變電路。所述三相全橋逆變電路由三個單相全橋電路組成單相全橋電路包括上橋臂和下橋臂，且上橋臂和下橋臂分別由兩個絕緣柵雙極型電晶體組成，其中上橋臂的兩個絕緣柵雙極型電晶體的集電極均與三相全橋逆變電路的直流輸入端的正極連線，且該兩個絕緣柵雙極型電晶體的發射極分別與下橋臂兩個絕緣柵雙極型電晶體的集電極連線，下橋臂兩個絕緣柵雙極型電晶體的發射極分別與三相全橋逆變電路的直流輸入端的負極連線；每個單相全橋電路的輸出端的兩個輸出連線埠分別與該單相全橋電路的上橋臂和下橋臂的兩個連線點連線。

在常規情況下，需要利用大電感耦合的大電流平衡電抗器，才能實現三組六脈波整流器輸出的直流側並聯，這樣便抵消了18脈波整流帶來的經濟效益。該發明避開了使用笨重的平衡電抗器，分別採用三個主電路完全相同的並列獨立逆變通道（參見附圖1），這樣三組六脈波整流就不能通過直流側並聯形成環流，從而使九相自耦移相變壓器精確實現了18脈波整流，極大的減小了輸入電流諧波。

圖1中“同步控制裝置14”是保證並列獨立逆變通道按相同規律工作，輸出各相頻率、相位和幅值對應相同的三相電壓，並使輸出三相電壓（U，V，W）與輸入電網電壓（A，B，C）同步。該發明採用三相全橋結構，既提高系統可靠性和冗餘能力，又使系統有更強的帶不平衡負載能力，還利於系統進行模組化規範設計。

進一步地，所述超前組濾波電感11的電路、原始組濾波電感12的電路和滯後組濾波電感13的電路均為與單相全橋電路的輸出端連線的LC低通濾波電路；LC低通濾波電路由三路濾波電路組成，每路的濾波電路主要由一個電感和一個電容組成，且每路濾波電路設有兩個輸入端和兩個輸出端；每路濾波電路的兩個輸入端分別與單相全橋結構的橋臂中點連線，為一個輸入連線埠；每路濾波電路的兩個輸出端為一個輸出連線埠，通過保險後分別與工頻隔離變壓器的三相交流輸入連線埠對應連線。

進一步地，工頻隔離變壓器15與電源三相交流輸出端18之間設有主路靜態開關裝置，主路靜態開關裝置主要由三個雙向可控矽元件組成；三個雙向可控矽元件的一端與工頻隔離變壓器15的三相交流輸出端連線，三個雙向可控矽元件的另一端分別與電源三相交流輸出端18連線。進一步地，所述旁路靜態開關裝置主要由三個雙向可控矽元件組成；三個雙向可控矽元件的一端與旁路電路輸入端連線，三個雙向可控矽元件的另一端分別與電源三相交流輸出端18連線。

下面結合附圖5對該發明的工作原理作進一步的詳細說明。

如圖5所示，T1為18脈波±20°自耦移相變壓器。L1、SCR1、SCR3、SCR5、SCR4、SCR6、SCR2和C1組成超前組可控三相整流器；IGBT1～IGBT12組成超前組三相逆變器；L4、C4、L5、C5、L6、C6組成了超前組逆變器的3個單相逆變全橋的LC低通濾波電路。同樣，L2、SCR1’、SCR3’、SCR5’、SCR4’、SCR6’、SCR2’和C2組成原始組三相六脈整流器；IGBT13～IGBT24組成原始組三相逆變器；L7、C7、L8、C8、L9、C9組成了原始組逆變器的3個單相逆變全橋的LC低通濾電路。L3、SCR1”、SCR3”、SCR5”、SCR4”、SCR6”、SCR2”和C3組成滯後組三相六脈整流器；IGBT25～IGBT36組成滯後組三相逆變器；L10、C10、L11、C11、L12、C12組成了滯後組逆變器的3個單相逆變全橋的LC低通濾波器。T2為四連線埠耦合隔離三相變壓器，超前組、原始組、滯後組的各單相全橋逆變器輸出通過該工頻隔離變壓器15將功率疊加在一起。SCR7-9為旁路靜態開關，SCR10-12為逆變靜態開關。

在整流輸入三相電源正常的情況下，三相電經過整流器輸入開關CB1、熔斷器FUSE1-3和檢測整流器輸入電流的霍爾電流感測器HP1-3，送到18脈波±20°自耦移相變壓器的輸入端，自耦移相變壓器將輸入三相交流電源移相為三組相位對應互差20°的三相交流電源：超前組（U1，V1，W1）、原始組（U0，V0，W0）和滯後組（U2，V2，W2）。（圖5中省略了各路的零序抑制換向電感）超前組（U1，V1，W1）三相交流電經過超前組可控三相整流器整流成直流，再經過超前組三相逆變器逆變成交流電，通過LC低通濾波電路輸出純淨三相電。同理，原始組（U0，V0，W0）三相交流電經過原始組三相六脈整流器整流成直流，再經過原始組三相逆變器逆變成交流電，通過LC低通濾波電路輸出純淨三相電。滯後組（U2，V2，W2）三相交流電經過滯後組三相六脈整流器整流成直流，再經過滯後組三相逆變器逆變成交流電，通過LC低通濾波電路輸出純淨三相電。這三組輸出的交流電在同步控制裝置14（圖5中未畫出）的控制下，與旁路輸入交流電源同頻同相，幅值也相差很小，通過四連線埠耦合隔離三相變壓器，將功率疊加在一起，經過逆變靜態開關、輸出斷路器CB3給負載供電。同時，整流輸入三相電源經過隔離型充電器17給蓄電池組20充電。

當整流輸入三相電源不正常時，超前組三相六脈整流器、原始組三相六脈整流器和滯後組三相六脈整流器都停止工作。蓄電池通過二極體D1、D2、JK1給超前組三相逆變器供電，通過二極體D3、D4、JK2給原始組三相逆變器供電，通過二極體D5、D6、JK3給滯後組三相逆變器供電，保證三組逆變器能不間斷的工作，給負載的供電也不會中斷。如整流輸入三相電源恢復正常，超前組三相六脈整流器、原始組三相六脈整流器和滯後組三相六脈整流器恢復工作，JK1、JK2、JK3斷開，充電器17也恢復工作，進入正常工作模式。由於該UPS系統具有一定的冗餘性，當其中任意一組三相六脈整流器或三相逆變器出現故障時，其他的都能正常工作。由於採用3個單相全橋組成三相全橋逆變電路，能適應負載100%不平衡。如當三組三相逆變器均不能正常工作時，逆變輸出的三相靜態開關SCR10-12會切斷，旁路三相靜態開關SCR7-9導通，由於此前逆變輸出的三相電與旁路輸入的交流電源同頻、同相，因此UPS可不間斷的切換到旁路工作，CB3為旁路輸入斷路器。當需要維護時，可通過UPS的維護旁路不間斷給負載供電，CB4為維護旁路的斷路器。

榮譽表彰

2021年11月，《一種基於九相自耦移相變壓器的對稱式UPS電源系統》獲得第八屆廣東專利獎優秀獎。